焊接模式對長碳纖維復合材料超聲波焊接頭性能的影響

羅 震，杜慧敏，敖三三，張 威，魏 祺，黃逸飛

(天津大學材料科學與工程學院，天津 300350)

與傳統(tǒng)的金屬材料相比，碳纖維復合材料具有高強度、高模量和高剛度，其彎曲強度高，斷裂時呈韌性斷裂．而且其密度小，易于加工，滿足了制造業(yè)輕量化的要求，在航空航天、汽車制造、造船業(yè)和建筑等領(lǐng)域得到了廣泛應用[1-3]．在碳纖維復合材料的大量應用過程中，無可回避的問題便是如何實現(xiàn)其成形和連接．在汽車輕量化這一發(fā)展趨勢下，碳纖維復合材料的連接成為當前研究的熱點問題[4]．

超聲波作為一種內(nèi)加熱的焊接方法，廣泛用于碳纖維復合材料的連接[5]．其生產(chǎn)過程成本低、焊點質(zhì)量好，生產(chǎn)速度是目前所有焊接方法中最快的一種[6-7].類似于金屬超聲波焊接需要將焊頭平面預制成鋸齒狀[8]，塑料超聲波焊接中通常需要預先在在焊件搭接面上預制造一些三角形或矩形凸臺，即能量引導體(導能筋)來提高連接質(zhì)量，但這提高了成本，降低了生產(chǎn)效率[5]．Femandez 等[9]對導能筋進行了簡化，但較少有人對不加導能筋的超聲波焊接過程進行研究．此外，超聲波焊接得到的焊點尺寸與焊頭大小直接相關(guān)，有時為滿足生產(chǎn)需要，需采用面積較小的焊頭進行焊接，然而其焊接過程中壓力較大，容易導致材料熔化后流動不暢，成型困難[10]．

超聲波焊機具有多種焊接模式，其中時間模式、位移模式、能量模式最為常用．目前對長碳纖維的超聲波焊接的機理研究都僅采用了一種焊接模式進行研究．Benatar 等[11]采用時間模式進行焊接，通過實驗證明超聲波焊接中材料的熔化和流動是分步進行的，焊接過程伴隨著大量的功率耗散．Gao 等[12]選用時間模式實現(xiàn)了對短碳纖維復合材料的焊接，認為接頭強度是接頭面積帶來的正效應和氣孔、縫隙等負效應二者相互作用的結(jié)果．Villegas[13]曾對3 種超聲波焊接模式進行對比，研究了不同模式下工藝參數(shù)對接頭性能的影響．根據(jù)采集到的焊接過程能量-位移曲線，將該過程分為5 個階段，通過檢測焊接過程可以對焊點性能進行預測．然而，其實驗變量較多，且未對不同模式的焊接機理進行深入研究．

鑒于目前碳纖維復合材料超聲波焊接生產(chǎn)高質(zhì)量與高效率的要求，本文探索了小焊頭下無導能筋的長碳纖維復合材料在時間、位移、能量3 種模式下的最佳焊接工藝，并對不同模式下的接頭的結(jié)合機理進行了研究．

1 試驗方法

超聲波焊接常用的焊接模式有3 種，分別是以焊頭下降距離作為預設(shè)閾值的位移模式，以焊接時間作為預設(shè)閾值的時間模式，以焊頭輸出總功率作為預設(shè)閾值的功率模式．焊接時選擇其中一種模式進行焊接，在輸出值達到該模式下預設(shè)閾值后超聲波振動停止．本試驗中每次試驗僅改變焊接模式下對應的預設(shè)閾值，其他參數(shù)保持不變，焊接壓力為0.3 MPa，觸發(fā)壓力50 N，保壓時間1 s．首先進行重復試驗，確定每種模式下的最佳焊接參數(shù)，再對每種焊接模式下最佳參數(shù)對應的焊接過程和焊接結(jié)果進行分析．

試驗所用的材料是單面編織的碳纖維增強熱塑環(huán)氧樹脂(CF/EP)．焊接設(shè)備如圖1 所示．超聲波焊機選用BRANSON 公司的2000 XD 超音波能量供應器，具有固定頻率 20 kHz，最大輸出功率為1 250 W．焊頭為特殊定制的鈦合金焊頭，在標準的懸鏈式焊頭的基礎(chǔ)上，增加一個階梯式的φ10 mm 的凸臺，焊接時凸臺與工件接觸，接觸面積較小，可獲得較小尺寸的焊點．

圖1 2000 XD超音波能量供應器及焊頭Fig.1 2000 XD ultrasonic welding machine and welding head

焊接試驗過程為：從碳纖維增強板材中切下30 mm×90 mm 的長方形試樣；采用搭接方式，將上下兩板具有編織結(jié)構(gòu)的面搭接在一起形成搭接結(jié)構(gòu)，使用卡具固定并置于超聲波焊頭下；設(shè)置焊接閾值及其他參數(shù)，進行超聲波焊接．2000 XD 焊頭附有一光柵尺，可以記錄焊接過程中焊頭下降的速度和位移情況．其機器自身也可通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)保存焊接過程中的焊接壓力、實際功率等數(shù)據(jù)．該數(shù)據(jù)可使用超聲波焊機配套的History 軟件處理．試驗結(jié)束后，試樣用水刀沿焊點中央切開，砂紙打磨拋光后，采用光學顯微鏡分析所得焊接接頭的界面結(jié)構(gòu)，評定焊接性．用拉伸機對母材的接頭進行拉伸強度測試，拉伸速度2 mm/min，并觀察拉伸后的斷口形貌．由于試樣較厚，為了減小其固有的彎曲應力的影響，需在試樣拉伸前在兩端黏貼與母材等厚的材料．

2 結(jié)果與討論

2.1 焊接過程分析

在超聲波焊接過程中，焊頭壓力維持恒定為0.3 MPa，焊頭下降接觸工件，當接觸壓力達到50 N時，超聲波能量供應器被觸發(fā)，開始輸出超聲波振動．焊頭輸出的能量即能量轉(zhuǎn)換器為維持振幅恒定而消耗的能量，這與材料的熔化狀態(tài)密切相關(guān)[7]．而焊頭下降的相對位移可以定量反映材料的熔化量．通過對焊接過程中焊接功率和焊接位移的觀測可以在測試接頭性能前預先對接頭進行評估．

圖2 是3 種焊接模式下的焊接過程中功率-位移曲線，其中縱坐標的功率是實際功率與機器自身峰值功率的比值，位移是焊頭與工件間接觸壓力達到觸發(fā)壓力后焊頭繼續(xù)下降的相對距離．圖2(a)是位移模式下的功率-位移曲線．根據(jù)圖2(a)，本實驗中無能量引導體的長碳纖維小焊頭下超聲波焊接分為以下幾個階段：階段Ⅰ：焊頭在恒定的壓力下持續(xù)下降，當其與工件間的接觸壓力達到觸發(fā)壓力時，超聲波振動開始．在焊頭與工件間摩擦產(chǎn)熱、上下板之間摩擦產(chǎn)熱以及工件自身變形產(chǎn)熱3 個熱源作用下，母材溫度開始上升．隨著溫度升高，材料發(fā)生軟化，功率曲線上升速度減慢，而位移曲線持續(xù)上升，焊頭繼續(xù)向下移動．由于兩板間沒有鑄造導能筋，能量較為分散，因此材料發(fā)生軟化需要更長的時間．同時在傳統(tǒng)的超聲波焊中由于工件上預制導能筋，導能筋受熱膨脹，在超聲振動導致產(chǎn)熱后，焊接初始階段位移為零或者為負值[9]．而本試驗中不預設(shè)導能筋，母材為碳纖維編制結(jié)構(gòu)，樹脂較薄，加之熱塑性樹脂硬度較低，在恒定的壓力下，焊頭穩(wěn)定向下移動，焊接位移持續(xù)上升．位移上升速度相較于加入導能筋的位移上升速度較慢．階段Ⅱ：焊頭正下方樹脂開始熔化，形成幾個“熱點”，熔核開始形成并長大，由于熔化的材料會起到“潤滑劑”的作用，功率曲線下降．階段Ⅲ：功率降到較低水平并維持恒定，焊頭正下方的樹脂層完全熔化并發(fā)生流動，焊頭繼續(xù)勻速下降；階段Ⅳ：功率再次下降，但是下降幅度較小，原因是母材與砧板等接觸面也發(fā)生了部分熔化，上下板的碳纖維束產(chǎn)生了交織，焊頭下降速度較階段Ⅱ、Ⅲ更快，且樹脂層可能出現(xiàn)一定的擠出；階段Ⅴ，焊頭下降的位移達到預設(shè)閾值，超聲波振動停止，焊點逐漸凝固．雖然焊頭下降到閾值時超聲振動即停止，但是此時焊頭的壓力仍然維持恒定，以減少氣孔等缺陷，在此過程中焊頭會繼續(xù)向下移動約0.025 mm．

圖2 功率-位移曲線Fig.2 Power-displacement curve

時間模式的功率-位移曲線如圖2(b)所示，對照圖2(a)，母材經(jīng)過階段Ⅰ軟化和階段Ⅱ熔化開始后，由于受焊接時間控制，超聲波焊頭在0.68 s 時立即振動停止，進入焊接保壓階段，沒有經(jīng)歷Ⅲ、Ⅳ的熔化流動過程，因此焊點處的固體并未充分熔化流動．超聲振動結(jié)束后在焊頭壓力的作用下，焊頭的總位移也可以達到0.25 mm，與位移模式相近．但其部分位移發(fā)生在超聲波停止后，熔核凝固的過程中，因此得到的接頭性能會與位移模式明顯不同，將在之后部分詳細討論．時間模式下的平均功率也明顯高于位移模式．時間模式下，超聲波焊頭為維持恒定的振動幅度所需輸出的能量功率持續(xù)升高，最高可達40%，而在位移模式下功率達到20%時即開始下降．導致這一差異的原因是不同的模式對應了不同的加載反饋機制，功率與焊頭位移的匹配情況不一，致使材料軟化與熔化的情況出現(xiàn)差異．

對于能量模式，如圖2(c)所示，雖然其曲線形狀與位移模式類似，焊接過程具有完整的5 個階段，但功率峰值更高，為位移模式的1.25 倍，且超聲波作用時間更短，僅為位移模式的1/2，在0.6 s 時即完成焊接，且焊接輸入的總能量相較于位移模式略低．這將導致熔化的母材面積較少，承力能力較差．

當采用時間模式時，超聲波焊機直接輸出能量，最為直觀；采用能量模式時，超聲波焊機在微處理器作用下輸出能量；而位移模式下，超聲波焊機是在微處理器和積分計算的基礎(chǔ)上輸出能量，控制更加精確．對于本實驗所選擇的材料，位移模式和能量模式都能經(jīng)歷完整的5 個焊接過程，而時間模式下焊接過程缺少階段Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ．

2.2 焊接結(jié)果分析

2.2.1 熔核尺寸分析

在進行3 種熔核性能對比前，本文首先在一選定焊接模式下單獨研究其預設(shè)閾值對焊接結(jié)果的影響，以確定3 個焊接模式下最佳焊接參數(shù)，并分析參數(shù)變化對熔核尺寸影響的機理．分別設(shè)定不同的預設(shè)閾值進行超聲波焊接，并觀察熔核面積．位移模式下，改變預設(shè)位移閾值得到的結(jié)果如圖3 所示．

圖3 位移模式下的熔核尺寸Fig.3 Nugget size under the collapse mode

隨著位移模式位移設(shè)定值的增大，熔核面積增大，在0.25 mm 時達到最大值92 mm2．這是由于位移設(shè)置越大，所輸入總能量也越大，有更多區(qū)域參與到熔化結(jié)合的過程中，且當位移較大時，樹脂破碎，長碳纖維纏結(jié)，連接強度增加．然而當設(shè)定的下降位移超過0.25 mm 后，熔核面積又縮?。@是由于在位移模式下，焊機受微處理控制器和編碼器的控制，焊接直到焊頭下降位移達到預設(shè)值．隨位移的增大，焊接輸入的能量增多，熔化的面積也增加．但是在焊頭較小時，預設(shè)的位移大，超聲波焊機需要輸出更高功率，焊頭下降更快，材料的流動和浸潤性變差．

能量模式下的熔核面積變化規(guī)律與位移模式下類似，隨能量的增加熔核面積增大，超過250 J 后能量增加熔核面積又減小．而在時間模式下熔核尺寸始終隨時間的增加而增大，在0.75 s 時達到最大值，若繼續(xù)增大設(shè)定的時間值，則功率過載，無法完成焊接．本試驗中后續(xù)分析結(jié)果均基于最優(yōu)焊接參數(shù)下獲得的接頭，即其他焊接參數(shù)保持不變，焊接閾值在位移模式時預設(shè)0.25 mm，能量模式預設(shè)250 J，時間模式預設(shè)0.75 s．

2.2.2 接頭的最大承載力

在母材寬度足夠時，搭接形式的超聲波焊接接頭在拉伸試驗中可能出現(xiàn)以下3 種斷裂模式：界面斷裂、熔核處剪切斷裂和熔核擠出斷裂[9]，這3 種斷裂模式分別對應了實際焊接中焊接不足、正常焊接、過焊3 種情況．本試驗中選取的試樣尺寸為30 mm×90 mm，搭接區(qū)域為30 mm×30 mm，母材的拉伸強度為1 000 MPa，可以保證斷裂方式只與接頭強度有關(guān)而與試樣本身尺寸因素無關(guān)．

試驗中3 種模式下熔核最大處焊接參數(shù)對應的承載力如表1 所示，其斷裂方式均為熔核處剪切斷裂，即不僅樹脂基體發(fā)生了斷裂，上下兩板間的纖維也在壓力的作用下彼此糾纏結(jié)合，并且沒有過多的擠出．在各自的最佳參數(shù)下，位移模式下得到的焊點強度明顯高于時間模式與功率模式下的值，相較于時間模式高了34.3%，相較于能量模式高了28.4%．故在進行長碳纖維復合材料超聲波焊接時，推薦選擇位移模式進行焊接．

表1 拉伸試驗Tab.1 Tensile test

2.2.3 斷口宏觀分析

為探究影響接頭力學性能的機理，對接頭進行進一步分析．熔核形貌及尺寸直接影響超聲波接頭的力學性能．為探究無導能筋的小焊頭下超聲波焊接長碳纖維復合材料的最佳焊接模式，對位移模式、時間模式、位移模式下面積最大的熔核形貌進行了對比．圖4 為位移模式(0.25 mm)、時間模式(0.75 s)和能量模式(250 J)下拉伸試驗后獲得的熔核形貌．其均位于焊頭正下方．熔核面積上，位移模式＞時間模式＞能量模式．位移模式下，熔核面積92 mm2，大于焊頭面積(79 mm2)，樹脂發(fā)生了流動和溢出．時間模式下熔核面積(64 mm2)相較于焊頭面積略小，母材發(fā)生了熔化，但是在充分流動鋪展之前就已經(jīng)冷卻．能量模式下的熔核面積最小，為32 mm2，僅為位移模式下的40.5%，原因是其超聲波焊接作用時間最短，母材熔化的區(qū)域最?。?/p>

圖4 斷面形貌Fig.4 Fracture surface

結(jié)合斷面形貌對拉伸結(jié)果進行分析．焊接強度與熔核面積成正比，位移模式下其焊點面積最大，如圖4(a)所示，故其焊點強度最高．可明顯看到斷面處的長碳纖維已經(jīng)發(fā)生了部分破壞，暴露在空氣中，拉斷時不僅要破壞樹脂間的結(jié)合而且要破壞纖維結(jié)構(gòu)，這一結(jié)合機制增大了長碳纖維復合材料接頭的強度．當焊頭下降位移達到一定值時就會發(fā)生這種結(jié)合，提高連接強度．

圖4(b)和(c)分別是時間模式和能量模式下的焊點形貌，斷口表面也存在破壞的纖維，即在這兩種模式下也發(fā)生了上下板之間長碳纖維的纏結(jié)．然而，能量模式下的焊點尺寸明顯小于時間模式下的尺寸，但其拉伸強度卻略大于時間模式的拉伸強度．導致這一現(xiàn)象的原因是能量模式下作用時間較短，故其熔化的區(qū)域較小，熔核面積?。浜附訒r間雖短，卻完成了完整的焊接過程，母材的熔化區(qū)域雖較小，卻得到充分的鋪展流動，而時間模式下母材的熔化區(qū)域剛?cè)刍丛趬毫ο逻M入冷卻凝固階段，因此雖然熔核面積較大，強度仍較低，如圖4(b)和(c)所示．即接頭強度雖與焊接面積成正比，但焊接過程的完整性也對接頭強度有所影響．

2.2.4 顯微組織分析

除焊接接頭面積和尼龍熔化情況外，長碳纖維之間的交織及焊接過程中可能出現(xiàn)的缺陷也對接頭的拉伸強度有所影響．為獲得性能良好的熔核，了解不同焊接模式對其力學性能影響的機理，還需對其微觀結(jié)構(gòu)進行分析觀察．

圖5 是焊點橫截面的顯微組織照片，將焊好的試樣沿焊點中部切開，觀察其熔核截面形貌．其中圖5(a)為母材，可以看出母材為兩方向垂直交織編織，亮色區(qū)域為纖維，排布方向平行于紙面，暗色區(qū)為垂直于紙面的纖維束．同一纖維束內(nèi)的纖維分布較為均勻，纖維束邊緣被樹脂完全填充，同方向不同纖維束間沒有發(fā)生纏結(jié)．圖5(b)～(d)為超聲波焊接后得到的焊點，用水刀沿熔核中央切開得到的熔核形貌．在超聲波焊接后，母材熔化并且在焊頭壓力下壓縮，因此纖維束間位移減?。?/p>

圖5(b)是位移模式下焊接得到的熔核，其中纖維束相互交織在一起，這一過程發(fā)生在焊接的階段Ⅳ，除母材熔化外還發(fā)生了纖維的交織，不僅焊縫區(qū)域附近垂直于紙面的纖維束發(fā)生了交錯，平行于紙面的纖維束也交織在一起．碳纖維具有良好的導熱作用，可以使母材的樹脂基體更快、更均勻地熔化，促進了熔核的形成．同時，圖中明顯可見氣孔等缺陷，這與Wang 等[14]觀察的結(jié)果一致．這是由于能量過高時，分子鏈發(fā)生破壞，會產(chǎn)生NH3/CO2等氣體，超聲波焊接的高溫區(qū)域出現(xiàn)在焊頭正下方，氣體來不及逸出，導致焊接區(qū)域出現(xiàn)氣孔．

圖5(c)是能量模式下焊接的結(jié)果，圖中可以看出熔合處也發(fā)生了纖維的交織，且沒有明顯的氣孔，僅在纖維束與母材交界處存在少量孔隙．圖5(d)是時間模式下的焊點，上下兩板間存在明顯間隙，未完全熔合，有一長達0.6 mm 的縫隙．這與其焊接階段不完整有關(guān)．但是由于在階段Ⅴ母材凝固前，焊頭在壓力作用下下降了一段位移，因此垂直于紙面的纖維束之間也發(fā)生了纏結(jié)．時間模式下的熔核存在明顯未熔合，這也是其強度較低的原因之一．

圖5 焊點形貌Fig.5 Formations of the welded joints

根據(jù)圖5，3 種焊接模式下接頭處均發(fā)生了碳纖維的交織，碳纖維的交織有利于增強其力學性能．焊接缺陷上，能量模式下的熔核擁有最少的焊接缺陷.然而其拉伸強度仍低于位移模式下獲得的熔核．缺陷的存在雖然對接頭靜態(tài)力學性能有不利影響，但熔核面積及過程完整性才是決定強度的主要因素．

3 結(jié) 論

(1) 無導能筋的長纖維超聲波焊接可分為5 個階段．其中階段Ⅳ會發(fā)生碳纖維的大量交錯，使焊接強度增強．若過程不完整，則熔化材料流動性差，力學性能降低．

(2) 焊點面積越大，接頭拉伸強度越高．位移模式下獲得的熔核面積相較另外兩種模式增大了30%，可承受的最大拉力提高了34%．在焊點面積相差不大時，焊接過程的完整性影響接頭強度．擁有完整焊接過程的能量模式下獲得的焊點強度高于焊接過程不完整的時間模式下獲得的焊點強度．

(3) 焊點中可能存在氣孔、裂紋等缺陷，但對焊接缺陷影響較?。附舆^程中發(fā)生了纖維束的纏結(jié)，有利于提高強度．

(4) 對于小焊頭下的碳纖維復合材料超聲波焊接，宜選用位移模式進行焊接，以得到焊點面積最大、承載拉剪載荷能力最強的接頭．